燃燒加熱器氣動閥門閥后壓力的模糊控制

祝汝松 ,湯更生,陳志強 ,張俊生

(中國空氣動力研究與發展中心,四川綿陽 621000)

0 引 言

在超燃沖壓發動機研究的主要地面試驗設備中,燃燒加熱器是其中的主要組成部分。燃燒加熱器通過對氫氣、氧氣和空氣的壓力、流量控制和恰當的時序和點火控制來產生適合于超燃沖壓發動機研究的溫度和壓力,模擬超燃沖壓發動機的飛行試驗環境,進行超燃沖壓發動機基本燃燒規律和相關技術研究。對燃燒加熱器中氫氣、氧氣和空氣的流量和壓力的良好控制,是燃燒加熱器控制的關鍵之一。

1 燃燒加熱器簡介

燃燒加熱器的主要試驗氣體包括氫氣、氧氣、空氣和氮氣。燃燒加熱器的進氣管道及閥門系統配置如圖1。

燃燒加熱器的3種主要試驗氣體的供氣管路都包括有球閥、調壓閥、流量閥、文氏噴嘴、單向閥和安全閥等,其中氧氣和氫氣管路在流量閥后還包括快速閥。氮氣用來在試驗前后對氧氣和氫氣管路進行清洗。在三種主要試驗氣體供氣管路上的主要閥門后安裝有防爆壓力傳感器,用來進行壓力的監測和反饋控制;在文氏噴嘴后安裝有溫度傳感器。出于試驗和設備安全的考慮,三種主要試驗氣體供氣管路的調節閥執行器采用美國FISHER公司的氣動閥門定位器DVC5000,它使用一定壓力的氣體來驅動閥門的運動。

燃燒加熱器供氣管路需要調節控制的參數包括各個試驗氣體的壓力、流量,其中壓力為直接控制參數。

圖1 燃燒加熱器的進氣管道及閥門系統配置示意圖Fig.1 The configuration of the valves and pipes of the combustion heater

2 控制系統的基本構成

由于試驗設備所使用的試驗氣體包括氫氣、氧氣等易燃、易爆氣體,控制系統需要具有較高的可靠性?？刂葡到y以一臺工業控制計算機為核心,采用PLC安全連鎖來兼顧系統的可靠性要求。該控制系統的基本構成如圖2所示。對于供氣管路中的6個調節閥的氣動定位器,計算機通過模擬量輸出板輸出對應于閥門開度大小的4～20mA模擬信號,由閥門定位器將閥門控制到相應的指定位置。

燃燒加熱器控制系統主要完成以下主要功能：實現供氣管路中所有電控制閥(包括球閥、快速閥、調節閥)的計算機控制;對供氣管路中各個壓力測量點的實時監測;對各試驗氣體文氏嘴前壓力的閉環控制;對供氣管路各個閥門的時序控制;系統故障和緊急停車時的安全聯鎖等。

3 氣動閥門閥后壓力控制方法的選擇和實現

3.1 壓力控制基本原理

圖2 控制系統的基本結構Fig.2 The makeup of the control system

壓力控制的基本原理如圖3所示。圖中的壓力控制器由計算機中的控制算法實現;位置控制內環由Fisher的DVC5000氣動定位器來實現。其中閥門的位移檢測是在DVC5000氣動定位器內部實現的。工業控制計算機中實現的控制器用來實現壓力閉環控制。

圖3 壓力控制的基本原理Fig.3 The principle of the pressure control

每種氣源管路包括兩個Fisher的氣動閥門。在進行壓力控制時,靠近氣源的調節閥進行壓力的粗調,減弱氣源壓力下降過快對后面的調節閥壓力控制的影響。較為精確的壓力控制由靠近文氏噴嘴前的調節閥進行。

3.2 PID控制存在的問題及影響因素

在系統試驗初期,壓力控制器采用了一種常規PID控制器和改進型PID控制器對壓力進行調節。圖4給出了采用PID調節的一個典型的控制效果。

采用常規PID調節進行壓力控制的問題主要表現在：控制參數難以整定,壓力控制的超調量較大,穩態控制的效果不好,同時由于試驗氣體氣源壓力和控制壓力設定值的不同,控制效果差異較大。這不僅浪費試驗氣體資源,而且還有安全隱患。

通過多次試驗和分析,主要有以下因素影響PID控制器的控制效果。

(1)閥門動作帶有一定的非線性。(2)在試驗過程中,氣源壓力下降較快,供氣管路壓力控制特性變化較大。(3)常規PID控制器對被控制系統的非線性和外部擾動的適應能力較弱。

圖4 一般PID控制器控制效果Fig.4 The control result using convential PID controller

圖5給出了Fisher氣動閥門定位器的工作原理。由于氣動閥門采用具有可壓縮性的氣體作為動力源,以及閥芯與閥體之間的摩擦等因素,造成閥門的運動過程具有一定的非線性,在試驗過程中氣源壓力下降較快的情況下,給比較精確的壓力控制造成了困難。

圖5 DVC5000系列閥門控制器原理和運動過程示意圖Fig.5 The control principle and moving process of DV5000 series valve

3.3 自適應Fuzzy-PI控制器的設計和實現

根據使用PID控制器的試驗結果并結合對系統控制特性的認識,設計了具有自適應調整功能的模糊PI(Fuzzy-PI)控制器。其控制原理如圖6所示。

這種自適應Fuzzy-PI控制器是在常規的比例積分(PI)控制器的基礎上(圖中Kp和Ki部分),根據壓力控制過程中的不同階段,通過一套模糊推理規則對PI控制器的比例系數Kp和積分系數Ki進行在線調整。

采用模糊推理有助于將對系統控制特點的認識結合在控制器的設計中。在線參數調整模糊推理規則的設計(圖6的虛線部分所示)包括輸入變量的模糊化、模糊推理、參數調整模糊量的清晰化幾個部分。模糊控制器的輸入變量選為壓力的偏差e和偏差的變化ec,后者為本次的壓力偏差ei和上一次的壓力偏差ei-1的差值。

圖6 自適應Fuzzy-PI控制器原理框圖Fig.6 The principle of the adaptive Fuzzy-PI controller

對Kp和Ki參數的調整,采用模糊推理輸出的參數修正量進行調整,即：

Kp(n)=Kp(n-1)+Anp或Ki(n)=Ki(n-1)+Ani

其中Kp(n-1)和Ki(n-1)為上一時刻的Kp、Ki參數,An為模糊推理輸出的Kp和Ki參數的修正量。

各模糊語言值的成員函數均采用高斯正態分布函數的形式。在偏差e較小時的模糊語言值隸屬函數的幅寬較小,用于提高控制器在穩態時隸屬函數的分辨率和控制輸出的靈敏度。在偏差較大的區域采用正常幅寬的隸屬度函數。偏差的變化ec和修正量A的模糊語言值隸屬度函數均采用均勻正態分布函數的形式。

Kp、Ki參數在一定時間內的變化與控制循環執行次數有一定的關系。控制參數在短時間內不能有太大的變化,否則易造成控制作用的突變。實際設計中,對Ki和Kp參數的變化有范圍的限制。

P參數調整的主要原則是：避免震蕩,在偏差較大且偏差變化率較小時,宜增大P參數;在偏差較小且偏差變化率也較小時,宜緩慢增大P參數。I參數的調整原則是：在偏差較大且偏差的變化方向和幅度合適時,宜保持不變和較小的值;在偏差較小且偏差的變化方向正確和幅度較小時,宜緩慢增大I參數,有助于減小穩態控制誤差。

根據以上原則設計了模糊推理規則。模糊推理采用Mamdani的Max-Min推理法。實際使用時,在Max-Min推理法的基礎上作了一些改進。例如在進行模糊邏輯與運算時,用乘積代替了取小運算;在進行模糊邏輯或運算時,用求和法代替了取大運算;這些主要是減弱在用Max-Min推理時模糊推理輸出較強的非線性。模糊推理結果的清晰化采用了較常用的重心法。圖7給出了各個模糊語言值形狀和參數修改規則的模糊推理結果。

圖7 模糊量語言值成員函數和模糊推理結果Fig.7 The membership function of fuzzy variables and fuzzy inference results

3.4 自適應Fuzzy-PI控制器的軟件實現

在控制器的軟件設計中,將控制器參數修改的模糊推理離線進行,然后將推理結果放在矩陣表格中,控制程序運行時,通過查表獲得模糊推理結果。

對控制器中的模糊推理的工作是在工程計算軟件Matlab中進行的,并且將每個參數修改規則的模糊推理結果都形成一個矩陣存儲在二維數組中。然后,根據Fuzzy-PI控制器的結構,并且利用模糊推理的結果,設計了實現了這個自適應Fuzzy-PI控制器結構的C語言函數。

3.5 自適應Fuzzy-PI控制的壓力控制效果

采用前面的Fuzzy-PI控制器的設計以后,經過多次試驗的數據表明,自適應Fuzzy-PI控制器比一般的PID控制器有明顯的優勢。壓力控制的過程在快速性,穩定性方面優于一般的PID控制,在控制精度方面也好于PID控制。圖8給出了某次典型試驗中氫氣的壓力控制過程曲線。

圖8 某次試驗氫氣的壓力及閥門控制過程Fig.8 The pressure and valve control process during a typical test

可見在采用Fuzzy-PI控制器后,自適應Fuzzy-PI控制器的動態響應時間短,超調較小,同時具有較高的控制精度。三種試驗氣體的壓力控制精度都在1.0%以內,滿足設計要求?？諝?、氧氣和氫氣的壓力的控制穩定時間也都達到了試驗要求。

4 結束語

燃燒加熱器控制系統在經濟實用和兼顧系統可靠性的基礎上,用單臺計算機較高效地實現了燃燒加熱器供氣系統的控制功能。在壓力控制方法上,采用了模糊控制的技術對燃燒加熱器中的氣動閥門閥后氣體壓力進行控制,克服了氣動閥門的某些弱點,取得了較好的控制效果,提高了試驗設備的使用性能。

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